Характеристики производительности сетевого соединения
Внедрение механизмов QoS предполагает обеспечение со стороны сети соединения с определенными ограничениями по производительности. Основными характеристиками производительности сетевого соединения являются полоса пропускания, задержка, дрожание и уровень потери пакетов.
Категории и классы качества передачи речи
Документ ETSI TS 102 024 – 2, разработанный в рамках проекта TIHPON (Release 5, сентябрь 2003 г.), определяет три класса качества:
широкополосный (wideband), обеспечивающий пользователям качество лучшее, чем в ТфОП. Он требует использования широкополосных кодеков (обрабатывающих аналоговые сигналы с полосой более 3,1 кГц) и сетей IP, спроектированных в соответствии с требованиями QoS; узкополосный (narrowband), обеспечивающий пользователям качество, подобное ТфОП. Он требует использования спроектированных в соответствии с требованиями QoS сетей IP; негарантированный (best effort), предоставляющий пригодные для использования услуги, но без гарантий на характеристики соединения. Могут быть периоды значительного ухудшения качества речи и большие задержки из конца в конец, которые отрицательно влияют на общую диалоговую интерактивность. Этот класс качества обеспечивается в сетях IP, разработанных без учёта требований QoS, например, общедоступного Интернета.
Широкополосный и узкополосный классы обеспечивают гарантии характеристик для 95% всех соединений.
Узкополосный класс делится на три подкласса:
высокий (high), обеспечивающий качество, эквивалентное тому, которое предоставляется услугами ЦСИС; средний (medium), обеспечивающий качество, эквивалентное тому, которое предоставляется услугами беспроводной мобильной телефонии в условиях хорошей радиосвязи, например в сетях GSM, использующих кодеки EFR, или системами, использующими кодеки по Рекомендации МСЭ-Т G.726 на скорости 32 Кбит/с; приемлемый (acceptable), обеспечивающий качество, эквивалентное тому, которое предоставляется обычными услугами беспроводной мобильной телефонии, например в сетях GSM, использующих кодеки FR, или системами, включающими геостационарные спутники.
Каждый из вышеуказанных классов определяется тремя характеристиками:
общим рейтингом качества передачи (R); качеством речи, воспринимаемым слушателем (качество односторонней неинтерактивной передачи речи из конца в конец); задержкой из конца в конец (средней односторонней).
Значения этих характеристик для каждого
Значения этих характеристик для каждого из классов качества приведены в следующей таблице.
| Общий рейтинг качества передачи (R) | (В настоящее время находится на этапе изучения в международных организациях стандартизации ) | > 80 | > 70 | > 50 | > 50 (ориентир) |
| Относительное качество речи (одностороннее, неинтерактивное) | Лучше, чем G.711 | Равно или лучше, чем G.726 при 32 Кбит/с | Равно или лучше, чем GSM-FR | Не определено | Не определено |
| Результирующий общий рейтинг качества передачи (R) | Не применяется | > 86 | > 73 | > 50 | > 50 |
| Задержка из конца в конец, мс | < 100 | < 100 | < 150 | < 400 | < 400(ориентир) |
Качество из конца в конец, соответствующее средней категории или узкополосному среднему классу, может предоставляться при соединениях с абонентами сетей подвижной связи или корпоративным клиентам при наличии с ними соответствующих договоров. Более низкое качество в телефонных сетях общего пользования допускаться не должно.
Классификация и маркировка пакетов
Маршрутизаторы, расположенные на границе сети, используют функцию классификации для распознавания пакетов, принадлежащих различным классам трафика, в зависимости от значения одного или нескольких полей в заголовке TCP/IP. Функция маркировки пакетов используется для разметки классифицированного трафика путем установки значения поля IP-приоритета или поля кода дифференцированного обслуживания (Differentiated Services Code Point – DSCP). Более подробно функции классификации и маркировки пакетов рассматриваются в следующей лекции.
Маршрутизация
Традиционная маршрутизация осуществляется на основании адреса назначения пакета и предполагает выбор наименее короткого маршрута, хранящегося в таблице маршрутизации. К сожалению, подобный механизм является недостаточно гибким для некоторых сетевых сценариев. Маршрутизация на основе политики – это функция качества обслуживания, позволяющая заменить традиционный механизм маршрутизации пакетов механизмом, учитывающим всевозможные настраиваемые пользователем параметры.
Современные протоколы маршрутизации, работающие по методу выбора наименее короткого пути, позволяют учитывать такие значения метрики, как административное расстояние, вес или число переходов. Маршрутизация пакетов осуществляется на основании хранящейся в таблице маршрутизации информации без учета требований потока трафика к качеству обслуживания или доступности сетевых ресурсов на всем протяжении маршрута. QoS-маршрутизация представляет собой механизм маршрутизации пакетов, учитывающий требования потоков трафика к качеству обслуживания и осуществляющий выбор маршрута в зависимости от наличия сетевых ресурсов.
Более подробно маршрутизация на основе политики рассматривается в приложении в следующих лекциях.
Совокупность контролируемых параметров информационного потока гарантирует соответствие между реальными параметрами качества и заданными. Заданные параметры определяют допустимые алгоритмы его маршрутизации и необходимый объем сетевых ресурсов. Оператор может использовать различные механизмы управления сетевыми ресурсами, обеспечивающие необходимый уровень QoS. Эти механизмы зависят от концепции построения системы управления мультисервисной сети и особенностей оборудования, используемого в узлах коммутации магистральной сети.
Механизмы обеспечения качества абонентского обслуживания по транспортировке трафика в мультисервисной сети QoS могут реализовываться как на канальном (2-й уровень сетевой модели), так и на сетевом (3-й уровень модели) уровне модели ISO/OSI:
механизмы QoS канального уровня ATM;механизмы QoS канального уровня коммутируемой сети Ethernet, основанные на классификации и приоритезации информационных потоков;технология MPLS (MultiProtocol Label Switching), повышающая эффективность прохожения трафика за счет упрощения процессов маршрутизации. Механизм MPLS может быть применен для обеспечения QoS как в среде Ethernet, так и в среде ATM.
Полоса пропускания
Термин полоса пропускания (bandwidth) используется для описания номинальной пропускной способности среды передачи информации, протокола или соединения.
Как правило, каждое соединение, нуждающееся в гарантированном качестве обслуживания, требует от сети резервирования минимальной полосы пропускания. К примеру, приложения, ориентированные на передачу оцифрованной речи, создают поток информации интенсивностью 64 Кбит/с. Эффективное использование таких приложений становится практически невозможным вследствие снижения полосы пропускания ниже 64 Кбит/с на каком-либо из участков соединения.
Задержка при передаче пакета (packet delay), или латентность (latency), на каждом переходе состоит из задержки сериализации, задержки распространения и задержки коммутации. Ниже приведены определения каждого из названных выше типов задержки.
Задержка сериализации (serialization delay). Время, которое требуется устройству на передачу пакета при заданной ширине полосы пропускания. Задержка сериализации зависит как от ширины полосы пропускания канала передачи информации, так и от размера передаваемого пакета. Например, передача пакета размером 64 байт при заданной полосе пропускания 3 Мбит/с занимает всего лишь 171 нc. Обратите внимание, что задержка сериализации очень сильно зависит от полосы пропускания: передача того же самого пакета размером 64 байт при заданной полосе пропускания 19,2 Кбит/с занимает уже 26 мс. Довольно часто задержку сериализации называют еще задержкой передачи (transmission delay).
Задержка распространения (propagation delay). Время, которое требуется переданному биту информации для достижения принимающего устройства на другом конце канала. Эта величина довольно существенна, поскольку в наилучшем случае скорость передачи информации соизмерима со скоростью света. Задержка распространения зависит от расстояния и используемой среды передачи информации, а не от полосы пропускания. Для линий связи глобальных сетей задержка распространения измеряется в миллисекундах.
Для трансконтинентальных сетей Соединенных Штатов характерна задержка распространения порядка 30 мс.
Задержка коммутации (switching delay). Время, которое требуется устройству, получившему пакет, для начала его передачи следующему устройству. Как правило, это значение меньше 10 нс.
Обычно каждый из пакетов, принадлежащий одному и тому же потоку трафика, передается с различным значением задержки. Задержка при передаче пакетов меняется в зависимости от состояния промежуточных сетей.
Если сеть не испытывает перегрузки, то пакеты не ставятся в очередь в маршрутизаторах, а общее время задержки при передаче пакета состоит из суммы задержки сериализации и задержки распространения на каждом промежуточном переходе. В этом случае можно говорить о минимально возможной задержке при передаче пакетов через заданную сеть. Следует отметить, что задержка сериализации становится незначительной по сравнению с задержкой распространения при передаче пакета по каналу с большой пропускной способностью.
Если же сеть перегружена, задержки при организации очередей в маршрутизаторах начинают влиять на общую задержку при передаче пакетов, и приводят к возникновению разницы в задержке при передаче различных пакетов одного и того же потока. Колебание задержки при передаче пакетов получило название джиттер-пакетов (packet jitter).
Данный параметр имеет большую важность, поскольку именно он определяет максимальную задержку при приеме пакетов в конечном пункте назначения. Принимающая сторона, в зависимости от типа используемого приложения, может попытаться компенсировать дрожание пакетов за счет организации приемного буфера для хранения принятых пакетов на время, меньшее или равное верхней границе дрожания. К этой категории относятся приложения, ориентированные на передачу/прием непрерывных потоков данных, например IP-телефония или приложения, обеспечивающие проведение видеоконференций.
Потеря пакетов
Уровень потери пакетов (packet loss) определяет количество пакетов, отбрасываемых сетью во время передачи. Основными причинами потери пакетов являются перегрузка сети и повреждение пакетов во время передачи по линии связи. Чаще всего отбрасывание происходит в местах перегрузки, где число поступающих пакетов намного превышает верхнюю границу размера выходной очереди. Кроме того, отбрасывание пакетов может быть вызвано недостаточным размером входного буфера. Как правило, уровень потери выражается как доля отброшенных пакетов за определенный интервал времени.
Некоторые приложения неспособны нормально функционировать или же функционируют крайне неэффективно в случае потери пакетов. Подобные приложения требуют от сети гарантии надежной доставки всех пакетов.
Как правило, хорошо спроектированные сети характеризуются очень низким значением потери пакетов. Потеря пакетов также несвойственна приложениям, для которых были заранее зарезервированы требуемые этими приложениями ресурсы. Что касается волоконно-оптических линий связи со значением частоты появления ошибочных битов (Bit Error Rate – BER) 10е-9, то здесь потеря пакетов возможна только в случае их отбрасывания в местах перегрузки сети. Отбрасывание пакетов, к сожалению, является неизбежным явлением при негарантированной доставке трафика, хотя и в этом случае оно обусловливается крайней необходимостью.
Технология ATM с самого начала разрабатывалась для транспорта различных видов нагрузки, в том числе телефонной, и в нее были заложены средства обеспечения QoS. Технология же IP была создана для негарантированной доставки данных, поэтому требует для обеспечения QoS некоторых дополнительных механизмов, особенно для транспорта трафика реального времени, в том числе телефонного. Однако на сегодняшний день, как показывает анализ общемировых тенденций в развитии телекоммуникаций, технология IP является более перспективной. Это подтверждается и результатами испытаний оборудования Softswitch различных производителей в Технопарке ЦНИИС, которые показали, что оборудование Softswitch большинства производителей ориентировано на применение в среде IP.
Исходя из указанных обстоятельств, ниже более подробно будет рассмотрено обеспечение QoS в транспортных сетях IP.
В соответствии с Рекомендацией МСЭ-Т I.380/Y.1540 основными параметрами, характеризующими QoS в сетях IP, являются:
задержка переноса пакетов;вариация задержки пакетов (джиттер);коэффициент потери пакетов;коэффициент ошибок по пакетам.
Последний параметр зависит в основном от используемых на физическом уровне сети систем передачи, и проблем с ним, как правило, не возникает. Механизмы обеспечения QoS в сетях IP направлены на улучшение первых трех из указанных параметров. Именно они и являются основными характеристиками транспортной сети, определяющими качество передачи речи (рис. 7.1). Эти же параметры, как правило, используются и в соглашениях об уровне обслуживания (Service Level Agreement — SLA), предлагаемых ведущими операторами своим клиентам.
Рис. 7.1. Взаимовлияние факторов, определяющих качество передачи речи
Предотвращение перегрузки и политика отбрасывания пакетов
Традиционный механизм обслуживания очередей FIFO предусматривает отбрасывание всех входящих пакетов после достижения максимального значения длины очереди. Подобный способ управления очередью получил название "отбрасывание хвоста" (tail drop) и характеризуется тем, что сигнал о перегрузке поступает лишь в момент фактического переполнения очереди. К сожалению, механизм FIFO не предусматривает проведения каких-либо активных действий по предотвращению перегрузки или по уменьшению размера очереди с целью снижения времени задержки. Активный алгоритм управления очередями позволяет маршрутизатору предвидеть перегрузку еще до переполнения очереди.
Распределение ресурсов
Наиболее распространенным механизмом обслуживания очередей в маршрутизаторах и коммутаторах современной Internet является ставший уже традиционным механизм "первым пришел, первым вышел" (first-in, first-out – FIFO). Несмотря на простоту реализации, для механизма FIFO характерно несколько фундаментальных проблем, затрудняющих выполнение функций качества обслуживанияа обслуживания. Так, механизм FIFO не предусматривает приоритетной обработки чувствительного к задержке трафика путем его перемещения во главу очереди. Весь трафик обрабатывается одинаково, без учета принадлежности потоков к различным классам с разными требованиями к обслуживанию.
Минимальное требование, предъявляемое к поддерживающему функции QoS алгоритму обслуживания очередей, – способность дифференцировать и определять требования к обработке различных пакетов. В соответствии с этими параметрами алгоритм обслуживания должен планировать порядок передачи поставленных в очередь пакетов. Частота обслуживания пакетов одного и того же потока трафика определяет выделенную этому потоку полосу пропускания.
Управление интенсивностью трафика
Поставщики услуг используют ограничивающую функцию для приведения параметров поступающего в сеть клиентского трафика в соответствии с его профилем. В то же время корпорации используют выравнивающую функцию для дозирования поступающего в сеть поставщика услуг трафика и выравнивания его интенсивности в соответствии с заданным профилем.
Влияние оконечного оборудования и сети на показатели качества речи
Общее качество передачи речи определяется факторами, зависящими как от сети, так и от оконечного оборудования.
Основные параметры, влияющие на качество передачи речи из конца в конец, и их отношение к терминальному оборудованию и/или сети приведены в следующей таблице.
| Тип кодека | Да | Нет |
| Потери пакетов | Нет 1 | Да |
| Задержка | Да 2 | Да 3 |
| Вариации задержки | Нет 4 | Да 5 |
Примечания.
Предполагается достаточно большая емкость буфера компенсации джиттера, позволяющая избежать потерь пакетов.Обусловлена кодированием/пакетизацией речи и компенсацией джиттера.Обусловлена маршрутизацией/распространением в сети.Предполагается, что вся вариация задержки включена в задержку в терминале.Вариация задержки вносится сетью, но компенсируются терминалом.
